2. Трехмерная графика и способы обработки видеоизображений.

Потребности работы с трехмерными изображениями или ЗD-графикой (3Dimensions — 3 измерения), имеются в широком спектре приложений — от игр до систем автоматического проектирования, используемых в архитектуре, машиностроении и других областях. Конечно же, компьютер оперирует не самими трехмерными объектами, а их математическими описаниями. Трехмерное приложение оперирует объектами, описанными в некоторой системе координат. Чаще всего здесь используется ортогональная, она же декартова, система координат, в которой положение каждой точки задается ее расстоянием от начала координат по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y и Z. В некоторых случаях используется и сферическая система координат, в которой положение точки задается удалением от центра и двумя углами направления. Большинство устройств визуализации, имеет лишь плоский (двумерный) экран, с помощью которого необходимо создать иллюзию трехмерного изображения.

Графический конвейер (Graphic Pipeline) — это некоторое программно-аппаратное средство, которое преобразует действительное описание объектов в матрицу ячеек видеопамяти растрового дисплея. Его задача — создать иллюзию этого изображения.

Взаимное расположение объектов относительно друг друга и их видимость зафиксированным наблюдателем обрабатывается на первой стадии графического конвейера, называемой трансформацией (Transformation). На этой стадии выполняются вращения, перемещения и масштабирование объектов, а затем и преобразование из глобального пространства в пространство наблюдения (world-to-viewspace transform), а из него и преобразование в «окно» наблюдения (viewspace-to-window transform), включая и проецирование с учетом перспективы. При преобразовании из глобального пространства в пространство наблюдения (до него или после) выполняется удаление невидимых поверхностей, что значительно сокращает объем информации, участвующей в дальнейшей обработке.

На следующей стадии конвейера (Lighting) определяется освещенность (и цвет) каждой точки проекции объектов, обусловленной установленными источниками освещения и свойствами поверхностей объектов.

На стадии растеризации (Rasterization) формируется растровый образ в видеопамяти. На этой стадии на изображения поверхностей наносятся текстуры и выполняется интерполяция интенсивности цвета точек, улучшающая восприятие сформированного изображения.

Весь процесс создания растрового изображения трехмерных объектов называется рендерингом (rendering). Рендеринг модели может производиться только поэлементно. Результатом создания объемов является набор многоугольников (обычно четырехугольников или треугольников, с которыми манипулировать проще), аппроксимирующих поверхности объектов. Плоское растровое представление должно формироваться с учетом взаимного расположения элементов (их поверхностей) — те из них, что ближе к наблюдателю, естественно, будут перекрывать изображение более удаленных элементов. Многоугольники, оставшиеся после удаления невидимых поверхностей, сортируются по глубине: реалистичную картину удобнее получать, начиная обработку с наиболее удаленных элементов. Для учета взаимного расположения применяют так называемый Z-буфер, названный по имени координаты третьего измерения. Этот буфер представляет собой матрицу ячеек памяти, каждая из которых соответствует ячейке видеопамяти, хранящей цвет одного пиксела. В процессе рендеринга для очередного элемента формируется его растровое изображение (bitmap) и для каждого пиксела этого фрагмента вычисляется параметр глубины Z (координатой его можно назвать лишь условно). В видеопамять этот фрагмент поступает с учетом результата попикселного сравнения информации из Z-буфера, с его собственными значениями. Если глубина Z данного пиксела фрагмента оказывается меньше величины Z той ячейки видеопамяти, куда должен попасть этот фрагмент, это означает, что выводимый элемент оказался ближе к наблюдателю, чем ранее обработанные, отображение которых уже находится в видеопамяти. В этом случае выполняется изменение пиксела видеопамяти, а в ячейку Z-буфера видеопамяти помещается новая величина, взятая от данного фрагмента. Если же результат сравнения иной, то текущий пиксел фрагмента оказывается перекрытым прежде сформированными элементами, и его параметр глубины в Z-буфер не попадет. Z-буфер позволяет определить взаимное расположение текущего и ранее сформированного пиксела, которое учитывается при формировании нового значения пиксела в видеопамяти. От разрядности Z-буфера зависит разрешающая способность графического конвейера по глубине.

В последнее время стали использовать и трехмерные текстуры (3D textures) — трехмерные массивы пикселов. Они позволяют, например, имитировать объем­ный туман, динамические источники света (языки пламени).

Реализация рендеринга требует значительного объема вычислений и оперирования с большими объемами информации, причем конечная цель потока обработанных данных — видеопамять графического адаптера. Решением проблемы вывода трехмерной графики, как и раньше, явилось усиление «интеллекта» графической карты — появились ЗD-акселераторы, реализующие значительную часть графического конвейера. На долю центрального процессора обычно выпадает начало конвейера, а его окончание (растеризация) выполняется акселератором графической карты.

Как ни странно, основным двигателем прогресса ЗD-технологий являются игры — именно любители компьютерных игр являются главными (самыми мас­совыми) потребителями ЗD-акселераторов. Более «серьезные» применения дви­жущейся трехмерной графики — различные тренажеры-имитаторы полетов и езды — по сути тоже являются играми, только для серьезных людей. Трехмерная анимация, применяемая в современном телевидении и кинематографии, пока что реализуется не на массовых персональных компьютерах, а на более мощных ра­бочих станциях, но и там используются практически все вышеописанные эле­менты технологии.

Технологии построений, выполняемых ЗD-акселераторами, постоянно совершенствуются, и описать все применяемые приемы просто невозможно. Все новшества нацелены на достижение фотореалистических изображе­ний игровых сцен с большой скоростью смены кадров (до 100 кадров/с), на экранах с большим разрешением (до 2048 х 1536) и в полноцветном режиме (True Color, 32 бита на пиксел). Конечно же, эти цели достигаются не ускорением расчетов для каждого элемента модели, а разными приемами вроде текстур.